多波束在秦皇島燕塞湖庫區水下三維地形測量中的應用

李冬，楊紹海，任曉東

（天津海事局海測大隊 天津 300222）

多波束在秦皇島燕塞湖庫區水下三維地形測量中的應用

李冬，楊紹海，任曉東

（天津海事局海測大隊 天津 300222）

介紹利用多波束對秦皇島燕塞湖庫區水下地形探測的方法，采用OMINISTAR星站差分GPS定位，庫區設立多個水文站實時人工驗潮、測深精度嚴格控制等方法，使多波束對測區進行全覆蓋、無遺漏、高精度和高效率的掃測。掃測結果讓我們對測區內的水深狀況有了一個比較全面的了解，確定了庫區水域內的最淺水深，保證了旅游船航線水域水下地形資料的完整，為秦皇島燕塞湖庫區提供了真實可靠的水深數據，完善了救援預案，為旅游船舶航行安全提供了詳實的基礎數據。

燕塞湖；多波束；人工驗潮；GPS

近年來，為了滿足民用海洋工程以及戰場準備等海洋研究工作對海底地形資料日益增長的需要，各發達國家競相研制各種新型的海底地形測量設備，主要目的是解決全覆蓋問題和提高測深效率，加快測深速度。多波束測深系統（又稱高精度海底地形測繪聲納）作為高效率、高精度和高分辨率的一種船載海底地形測繪設備受到了普遍的重視。在秦皇島燕塞湖旅游風景區，為了滿足景區在不斷開發和完善下的迅速成長，需要完善庫區水下地形的基礎資料，保障游客乘坐環保游船在15 km湖區旅游的安全。

1 工程概況

受秦皇島海事局山海關海事處委托，天津海事局海測大隊于2009年5月對秦皇島燕塞湖庫區航道進行了多波束全覆蓋掃測，制作了秦皇島燕塞湖庫區水下三維地形圖，以確定庫區航道水域內現勢水深和障礙物情況。為庫區旅游船航線水域提供真實可靠的水深數據，保證旅游航線行船安全，完善了救援預案。

圖1 秦皇島燕塞湖庫區多波束水下地形測量范圍示意圖

2 儀器設備

2.1 定位儀

采用OMINISTAR星站差分GPS定位儀。

2.2 多波束系統

采用ODOM ES3型多波束系統

頻率：240 kHz

掃測寬度：120°×3°發射，120°×3°接收

有效波束寬度：窄0.75°，中1.5°，寬3.0°

波束數量：480、240、120

測距分辨率：0.02%倍量程

量程：5 m～60 m

口頭述職完成后，李興軍的神情又緊張了起來，手不自覺地攥緊了一些，對在上一屆已參加了兩次述職的“老”代表來說，他知道下一個環節就是選民提問和評議?！班l鎮衛生院長期以來積累下來的效率不高、活力不足、醫療服務質量不高的狀況還沒得到根本改變，現在解決得怎么樣了？”選民代表、寺頭村村民張玉慶開門見山地問道。“我鎮是山區鄉鎮，條件落后，近幾年院里年輕專業人才招不來、留不住，你是否向上級部門反映過？”選民代表、醫院職工馮永紅接著提問……李興軍代表臉紅冒汗，一邊聽，一邊用筆快速地記錄問題，向選民一一作出答復。“現場回答選民的提問，壓力很大，也感受到了人大代表為選民代言、為選民辦事的責任?！崩钆d軍感慨道。

最小可探測到的距離：0.5 m（換能器以下）

脈沖重復次數（PRF）：12 Hz在20 m斜距（受制與處理器速度和選擇的波束數量）

2.3 姿態傳感器和SVP3417聲速剖面儀系統

HEAVE精度：5 cm或5%（最高值），分辨率：1 cm；量程：±10 m

ROLL、PITCH精度：0.01°，分辨率：0.01°；量程：±30°

采樣率：最快8幅/s，工作深度：8000 m

聲速傳感器：量程1 400 m/s～1 600 m/s，精度優于0.06 m/s，分辨率0.015 m/s

溫度傳感器：量程-2℃～32℃，精度±0.005℃，分辨率0.001℃，響應時間為10 ms

壓力傳感器：精度為滿量程的0.15%，分辨率為滿量程的0.005%，響應時間10 ms

3 方案設計

3.1 潮位控制

使用秦皇島燕塞湖庫區水文站原有水尺進行實時人工驗潮。原水尺大沽基面高程符合本次測量規范要求，每30 min觀測一次水位，測量時使用實時人工觀測水位對測量數據進行單站改正。由于該水文站水位隨季節變化較大，共在測區設立10個水尺，水尺上標注水尺零點高程。潮位站的位置示意圖見圖2。

3.2 測線布設

根據多波束測深系統采用的寬深比指標和測區內水深情況，多波束掃測布線間距依測量區域的水深變化而變化，最小測線間距為5 m，最大測線間距為20 m。測線依航道中心向兩側布設。淺點復掃時，測線走向及間距根據測區內的水深變化情況決定。測深線布設方向應按工程的需要選擇平行于等深線的走向、潮流的流向、航道軸線方向或測區的最長邊等其中之一走向布設。

圖2 潮位站位置示意圖

4 組織實施

4.1 多波束安裝調試

ODOM ES3型多波束測深系統安裝在“興湖一號”旅游船上，ODOM ES3多波束測深系統采用船頭固定安裝方式；GPS定位儀安裝在船的主駕駛倉上；光纖羅經安裝在船體中軸線上；ODOM單波束測深儀安裝于船舷左側，各儀器安裝示意圖如圖3和圖4所示。

圖3 儀器安裝位置俯視圖

圖4 儀器安裝位置側視圖

4.2 數據采集

因為多波束測深系統工作原理比較復雜，為保證測量數據的質量和精度，在實施外業測量前考慮以下影響因素并采取了相應措施：由于多波束對天氣等外界因素的要求嚴格，所以掃測前注意收聽天氣預報，保證測繪人員、測繪設備的安全和測繪成果質量符合規范要求。測量過程中，測量船配載保證穩定，每日檢查探頭的吃水變化，保證系統的水平穩定性。工作人員工作時做好實時記錄。必須實時監測數據質量及水深變化，記錄實時天氣、過往船只、周圍環境變化等各種影響測量質量的因素，用于后處理時判斷數據質量，以便發現問題，查找原因。對于不符合要求的數據，均進行了返工補測。

4.3 聲速測量

聲速每兩天測量一次，保證了聲速改正的正確。

4.4 數據處理

多波束數據在處理之前，先檢查數據處理軟件中設置的投影參數、橢球體參數、坐標轉換參數、各傳感器的位置偏移量、系統校準參數等相關數據的準確性。結合《多波束測深系統外業測量記錄》，根據需要對水深數據進行聲速改正、水位改正；應對每條線的定位數據、羅經數據、姿態數據和水深數據分別進行編輯。根據海底地形、各波束測得的水深數據的質量選擇合理的參數濾波，然后進行人機交互處理。對于無法判斷的點應從作業水域、回波個數、信號質量等方面進行分析。在數據經過編輯及各項改正后，應再次對所有的水深數據進行綜合檢查，根據各水深的傳播誤差及相連的水深利用表面模型進行評估，剔除不合理水深。使用海測大隊編制的數據后處理軟件“海測之星”進行數據轉換，水深數據按照規范要求進行篩選。根據制圖比例尺和數據用途對水深數據進行處理，并繪制水下三維地形圖。

5 結語

通過多波束在秦皇島燕塞湖庫區水下三維地形測量的實際應用可知：多波束測深系統獲得的高密度條帶式水深數據能滿足大比例尺水下地形測量的要求，可以繪出高分辨率高精度的水下地形圖。本次對秦皇島燕塞湖庫區水域進行的多波束全覆蓋掃測，通過掃測分析得出了合理的探測結論，提供了三維影像動態演示系統和水下三維地形圖，為秦皇島主要水源庫區容量測算和旅游船舶安全監管提供了可靠依據，為該區域航政管理提供了重要的基礎資料。

[1]朱慶，李德仁.多波束測深數據的誤差分析與處理[J].武漢測繪科技大學學報，1998，23（1）：1-4.

[2]黃謨濤，翟國君，管錚.多波束測深技術研究進展與展望[J].海洋測繪，2000（3）：2-7.

[3]李家彪.多波束勘探原理技術與方法[M].北京：海洋出版社，1999.

[4]GB 12327-1998.海道測量規范[S].北京：中國標準出版社，1999.

[5]邊少鋒，李文魁.衛星導航系統概論[M].北京：電子工業出版社，2005.

2012-01-05